基于OCS的塔式起重机安全监控系统设计研究

卢剑锋，张 斌

（贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

塔式起重机（塔机）是一种高层建筑施工必备的机电设备。它可以改善劳动条件，提高垂直及水平运输的能力与速度，缩短工期、降低工程造价，给企业创造良好的经济效益，从而被建筑业广泛应用。由于塔机工作空间大，起吊高度高、工作幅度大，行走范围大，且塔机工作条件恶劣，因而在实际使用中塔机一旦发生事故，就可能是重大事故，造成人员生命和财产的重大损失［1］。塔机安全监控系统是一种基于一体化控制器OCS的自动化监控系统，采用主机、分站（或塔机黑匣子）、传感器或执行机构三级分布式结构。可用于覆盖范围更广的设备监控或环境参数检测。

1 监控系统总体设计

监控系统主要包括地面监控主机、塔机监控分站（塔机黑匣子）、传感器或执行机构和GPRS无线通信网络等几部分。

塔机状态信息包括起重重量信息、吊绳高度信息、小车变幅信息和力矩信息等基础信息，同时也包括塔机转角信息、塔身倾斜度信息和风速风向信息等非主要信息，均由相应传感器实时转换为电信号，传给塔机黑匣子，由塔机黑匣子进行采集处理后，经无线通信网传至地面监控主机。各种塔机状态信息数据由计算机进行存储、处理、查询、显示和打印等。有关控制信息也可以由地面监控主机通过无线网络传输给塔机黑匣子，再由塔机黑匣子向相应的执行机构发出控制信号，完成远程控制。同时，获得授权的用户可以远程访问地面主机，得到同步监控信息。系统控制方案如图1所示［2］。

系统具有如下特点:

图1 系统控制方案

a.可实现对塔机的起重重量、变幅位置、起升高度以及回转状态的实时监控，在保留原有的安全装置作为二级保护的基础上，实时预警，进一步提高塔机在工作运行中的安全可靠性。

b.将无线数据通信方式与塔机监测相结合，在传统监测系统基础上增加了远程管理监测PC终端系统。

c.实现多塔机的联网，可对多台塔机进行集中控制，监控范围更广。研制出具有良好的可扩展、低成本的适应性控制系统。

d.针对产品面向的用户不同，涉及到所采集塔机信息的安全性，监控系统对不同的系统使用者进行相应的权限设置。

2 硬件设计

2.1 塔机黑匣子

塔机黑匣子硬件配置如图2所示。在监控系统中主要采用了Horner XLt系列的紧凑型HEXL104，外加SmartStix模拟量I／O、模拟量组合模块HE559MIX977。数字量的输入、输出由OCS控制器的集成I／O完成，模拟量参数的采集则用模拟量组合模块完成。黑匣子外壳采用隔爆兼本质安全型控制箱。

图2 塔机黑匣子硬件配置

依据小型化、智能化的设计目标，选择集成度很高的Horner小型XLt产品作为系统主控单元，优势突出:将控制引擎（OCS）、人机界面、网络和I／O集成于一体，人机界面为高精度电阻式触摸屏，可在日照下清晰显示图形文字，体积小、模块化和可靠性高；集成了多路模拟开关和运算放大等功能，能主动对采集到的信号进行消噪处理；丰富的传感器接口支持多种形式的传感器信号，只需进行简单的配置即可处理不同类型的信号，内置有4输入可配置10 kHz的高速计数器，同时还集成了CsCAN通讯口；强大的数据处理功能，具有矩阵运算、函数运算、逻辑运算、数据传送和转换等功能，可完成复杂的数据采集、分析及处理；采用MicroSD大容量存储卡，可存储历史数据、程序及画面。塔机黑匣子系统功能如图3所示。

图3 塔机黑匣子系统功能

2.2 数据传输

监控中心主机选用研华IPC610H系列工控机，塔机黑匣子选用HE－XL104。

Horner一体化控制器OCS提供强大的通信功能，其产品具有多种通信接口，可用来连接点到点的通信系统，也可通过CsCAN接口与其他自动控制系统进行总线连接、通信。一体化控制器OCS与分布式I／O模块之间的数据通信可以周期性地自动进行，也可以基于事件驱动进行。

现场传感器实时采集现场物理信号，并将其转化为标准信号传送给一体化控制器OCS，为减少传输过程中因各种干扰造成的信号衰减、反射，提高检测精度，均选用性能稳定可靠、寿命长且输出4～20 mA标准电流信号的传感器。

运用组态软件作为上位机的控制平台，通过GPRS与现场一体化控制器OCS通讯。监控中心软件通过GPRS网络向各个现场控制器发送动作指令，使现场控制器完成各种配置和数据采集工作，并对现场控制器发送来的数据进行分析和处理。同时，现场一体化控制器OCS完成数据采集、控制输出、数据通信和故障报警等功能，通过GPRS与管理监控中心相连，以此实现实时通信［3］。

3 软件设计

3.1 下位机软件

下位机软件采用Horner编程软件Cscape，主要完成数据采集和控制输出等功能，同时完成与上位机的通信任务。主程序采用循环扫描方式，按分配好的地址和权限调用功能子程序。子程序与主程序共享系统资源，这样可以实现子程序间的参数调用和数值处理。下位机程序的流程如图4所示［4］。

图4 下位机程序流程

初始化过程主要完成系统的自诊断处和通讯服务初始化等任务。读取各传感器信号，或将OCS无法识别的信号通过转化模块转换成便于OCS处理的信号。对执行器的控制包括模拟量控制和开关量控制，当主程序检测到控制器发出的控制信号时，根据控制信号的不同分别进入相应的控制子程序。

3.2 主机监控软件

主机监控软件结构如图5所示［5］。

图5 主机监控软件结构

OCS控制器读取传感器的实时数据后，经程序处理将当前数据快速准确地反映到监控界面上，根据一定的算法或程序判断数据是否准确，当数据不准确时，确定故障类型并给出报警信号，同时绘制塔机的起重重量信息、吊绳高度信息、小车变幅信息和力矩信息等基础信息以及其他部分信息的走向趋势图。塔机管理人员可预判或依据报警系统进行相应的动作。通过数据库管理模块，可以查询历史数据、绘制趋势曲线、输出报表和数据备份等。监控系统为不同等级的用户设置不同的操作权限，可以防止管理人员误操作，也可以随时更改系统登录密码。此外，监控系统也可以实现远程访问。

4 结束语

塔式起重机安全监控系统在保留原有安全装置的基础上作为二级保护，根据塔机的运行状态信息，自动判断塔机所发生的问题，自动解决或显示问题的根源，实时预警，使塔机有较强的自控能力及自动诊断错误能力。能够在塔机超过安全设定时，反向控制塔机的工作，能有效减少塔机安全事故的发生。同时，将GPRS数据通信方式与塔机监测相结合，在传统监测系统基础上，增加了远程管理监测PC终端系统，可实现对多台塔机进行集中控制的、可扩展的、低成本的适应性控制系统。最大限度地减小了对生产造成的不利影响，提高了劳动生产率，具有很高的推广应用价值。

［1］王兆义.PLC在起重机控制中的应用［J］.电工技术杂志，2000，（11）:36－37.

［2］郑夕健，于 扬，张国忠.基于PLC的塔式起重机安全监控系统设计［J］.机电产品开发与创新，2007，20（5）:143－145.

［3］王春亭.基于PLC采矿厂生产设备监控管理系统的研究与开发［D］.淮南:安徽理工大学，2008.

［4］袁丽艳，张桂青，阎 俏，等.多功能塔机黑匣子的设计与实现［J］.建筑机械，2007，（17）:73－76.

［5］张桂青，袁丽艳，申 斌，等.基于μCOS－Ⅱ的多功能塔机黑匣子软件平台设计［J］.微计算机信息，2006，23（11）:70－72.